BIOTECNOLOGIA AMBIENTAL Y TRATAMIENTO BIOLOGICO DE RESIDUOS
CAPITULO I. MEDIO AMBIENTE Y CONTAMINACION AMBIENTAL
Medio ambiente. Contaminación ambiental. Política ambiental cubana. Contaminación del agua. Fuentes contaminantes. Parámetros indicadores de contaminación del agua. Contaminación del aire. Fuentes contaminantes. Contaminación del suelo. Fuentes contaminantes. Análisis ambiental. Métodos analíticos en el control de contaminantes ambientales.
El Medio ambiente es un sistema dinámico y complejo (integrado por múltiples interrelaciones ecológicas, socioeconómicas y culturales), que evoluciona con el desarrollo histórico de la sociedad. Abarca la naturaleza, la sociedad, el patrimonio histórico-cultural de la humanidad y lo creado por ésta.
La atmósfera, que provee el aire que respiramos, la litosfera, que provee el suelo que nos sustenta, la hidrosfera, donde se encuentra el agua que consumimos y la biota, en la se agrupan todos los seres vivos y donde el hombre es el integrante más activo, forman parte del Medio Ambiente. La parte de este sistema dinámico donde existe la vida se denomina biosfera.
El funcionamiento de la biosfera puede resumirse como un ciclo en el que se establece un sistema de relaciones (ecosistemas) que mantiene el equilibrio ecológico sobre la Tierra. La evolución del comportamiento del hombre, principal modificador del Medio Ambiente, en pos de un desarrollo tecnológico e industrial ha desencadenado en la actualidad una crisis ambiental o ecológica de características especiales y alcance mundial. La Cumbre de la Tierra o Cumbre de Río, celebrada en 1992 señaló entre los indicadores más significativos de la crisis ambiental los siguientes:
• cambio climático como consecuencia del efecto invernadero y la destrucción de la capa de ozono.
AIRE AGUA
SUELO BIOTA BIOSFERA
• Aspectos socioeconómicos (explosión demográfica, desequilibrio Norte/Sur, contaminación severa de las aguas, suelos, aire)
• Incremento de accidentes medioambientales de carácter grave
Estos indicadores tienen su origen en el desarrollo social, las condiciones urbanas e industriales, exigencias en el avance tecnológico y demanda de recursos energéticos y minerales.
I.1. Contaminación Ambiental
La contaminación ambiental se define como la condición del medio en la cual determinadas sustancias (contaminantes) están presentes en concentraciones tales que alteran su calidad y composición, afectando al hombre y los elementos naturales que lo componen. Se plantea que un contaminante es toda clase de materia o energía que al ser liberado a cualquiera de los componentes ambientales suelo, agua o aire o en los elementos naturales, cambie o modifique su estructura y condición natural. Todo proceso que expulse o libere un contaminante al medio constituye una fuente o foco de contaminación ambiental, exceptuando la contaminación natural, aunque los procesos naturales pueden introducir sustancias dañinas en el medio ambiente.
Entre los principales contaminantes medioambientales se encuentran los compuestos xenobióticos (pesticidas, policlorobifenilos, colorantes, fertilizantes, explosivos, hidrocarburos poliaromáticos); petróleo y sus derivados, residuos sólidos (basura, excretas animales, suero de leche, pulpa de café); aguas residuales (urbanas, industriales, agropecuarias); metales pesados (Cd, Hg, Cr, Pb, y otros) y gases tóxicos (compuestos orgánicos volátiles, SOx, NOx, CO y clorofluorocarbonos fundamentalmente).
Según las características de los diferentes contaminantes vertidos al medio, la contaminación se puede clasificar como:
Contaminación biológica: tiene lugar cuando existen microorganismos (bacterias, hongos, virus, protozoos) que causan un desequilibrio en la naturaleza, alterando las condiciones óptimas del medio y la vida de los organismos presentes. La contaminación biológica es muy frecuente en zonas de gran insalubridad, principalmente en los países subdesarrollados, donde se puede desencadenar una epidemia en un período corto de tiempo. Su control o prevención es relativamente fácil en comparación con la contaminación física o química. Un ejemplo de de contaminación biológica es la producida por la bacteria patógena al hombre Vibrio cholerae, causante del cólera.
Contaminación química: es el tipo de contaminación que tiene como causa la acumulación acelerada de materia orgánica o inorgánica. En ocasiones este tipo de contaminación es difícil de atenuar porque las características físicas y químicas de las sustancias varían en magnitud. Un caso típico de contaminación química es la acumulación de metales pesados en aguas y de plaguicidas en suelos. La mayor parte de los contaminantes ambientales son sustancias químicas, las cuales se “mueven” en la biosfera desde un reservorio a otro a través de los ciclos biogeoquímicos.
Por su origen la contaminación puede ser:
Natural: es causada por los contaminantes formados y emitidos por procesos naturales: erupciones volcánicas, efectos geoclimáticos, y otros.
Antropogénica: tiene su origen en los contaminantes que son productos o resultados de las actividades humanas; por ejemplo: la basura, el smog, aguas residuales domésticas e industriales, etc. Suele ser más intensa en áreas cercanas a grandes zonas urbanas o industriales.
I.1.1. Política Ambiental Cubana. Papel del CITMA
La aprobación de la Agenda 21 en la Cumbre de Río, fue el primer paso para que los diferentes países participantes iniciaran acciones a favor de la protección y conservación del medio ambiente en aras de un desarrollo sostenible, definiéndose como desarrollo sostenible la utilización racional de los componentes del medio ambiente de modo tal que satisfaga nuestras necesidades sin comprometer las necesidades de las generaciones futuras.
Cuba participó activamente en esta Cumbre y en 1997 se aprobó en el país la Estrategia Ambiental Nacional (EAN) y la Ley 81 del Medio Ambiente, documentos que rigen y regulan la política ambiental del Estado en la conservación y protección del medio ambiente. A partir de la
En Cuba existen 2092 focos contaminantes, de los cuales el 29% no posee sistema
de tratamiento y el 53% de los sistemas de tratamiento existentes están
deficientes, vertiéndose 341 716 tonelada/año de materia orgánica (expresada
como DBO).
Solamente el 18% de los sistemas de tratamiento operan eficientemente (389 focos).
Los sectores de mayor incidencia en la contaminación son: Agropecuario,
Azucarero, MINBAS, MINAL y Sector doméstico.
La Ley 81 del Medio Ambiente establece los principios que rigen la política ambiental y las normas básicas para regular la Gestión Ambiental del Estado cubano y las acciones de los ciudadanos y la sociedad en general a fin de proteger el Medio ambiente y contribuir a alcanzar los objetivos del desarrollo sostenible del país.
Tabla 1 Principales problemas ambientales en Cuba.
Problemas Afectación Degradación de los suelos Agricultura
Deterioro de condiciones ambientales en
asentamientos humanos Calidad de vida de la población Contaminación de las aguas terrestres y
marinas Pesca, turismo, agricultura, ecosistemas y calidad de vida Deforestación Suelos, cuencas hidrográficas, ecosistemas costero-montañosos
Pérdida de la biodiversidad biológica Recursos naturales del país (bióticos y abióticos) y calidad de vida Fuente: López y col 2003
La identificación de estos problemas ambientales trajo como consecuencia el desarrollo de programas medioambientales en los que se insertan los diferentes proyectos de investigación para solucionar o mitigar los daños ocasionados al medio ambiente. Entre los programas ambientales pueden citarse:
• Reducción de la contaminación • Plan Turquino-Manatí
• Mejoramiento y Conservación de los suelos
• Acción de lucha contra la Desertificación y la Sequía • Ahorro de Energía
• Producciones más limpias • Cuencas hidrográficas • Bahías
globales (por ejemplo Ministerio de Salud Pública, Instituto Nacional de Recursos Hidráulicos, Ministerio de Finanzas y Precios entre otros) tienen a su cargo la regulación de determinados componentes ambientales.
I.2. Contaminación de las aguas. Fuentes contaminantes
El agua (H2O, MM 18 g/mol) es una molécula diatómica que en estado natural se presenta en los
tres estados de agregación: líquido, sólido y gaseoso. Es uno de los compuestos más abundantes en la naturaleza y en los organismos vivos tanto animales como vegetales, siendo esencial para el mantenimiento del metabolismo celular. En su estado puro, el agua es un líquido incoloro, inodoro e insípido, con temperaturas de fusión y ebullición de 0oC y 100oC respectivamente a TPN.
Constituye el 70% de nuestro Planeta, y se encuentra distribuida en los océanos, ríos y lagos en estado líquido, y en forma sólida, en los casquetes polares; sin embargo del total de agua en la Tierra, sólo el 0.35% se puede usar para el consumo humano. Las principales fuentes de agua utilizable se localizan en ríos, lagunas, y subsuelo. En éste último, se considera que la mayor parte del agua actualmente está contaminada.
El Programa de Cuencas hidrográficas, tiene entre sus objetivos la reforestación,
reducción de la carga contaminante, educación ambiental y el mejoramiento de las
condiciones en los asentamientos humanos.
El río Almendares (49,8 km) es el principal de la cuenca de igual nombre (402 km
2)
y recibe el impacto de las aguas albañales de más de 10 000 habitantes y
residuales líquidos y sólidos de varias industrias. Esta acumulación de materia
orgánica ha provocado el deterioro gradual en su cauce. Actualmente y como
respuesta a los problemas de contaminación del río Almendares, además del
dragado (extracción de 80 000 m
3de sedimentos) se aplican sistemas naturales de
bajo costo, los humedales, para la depuración de aguas residuales albañales de
los repartos Palatino, Pogoloti y Finlay.
Los humedales utilizados son el papiro y el macío, plantas muy comunes en Cuba.
Con este sistema se evita que el 90% de la materia orgánica llegue al río
Almendares. Una parte del agua depurada se reutiliza en la acuicultura y la
agricultura urbana y el resto se devuelve al río Mordazo, afluente del Almendares.
Teniendo en cuenta que la mayor cantidad de reserva de agua en el planeta es salada y que el agua es un recurso no renovable con una distribución a nivel mundial y regional irregular, es importante la conservación y protección de los recursos hídricos (cantidad de agua que circula por los ríos de la zona y las reservas acumuladas superficial y subterráneamente en un año y medio). Se define como agua contaminada aquella que tiene alterada su composición o estado como consecuencia de la actividad humana (directa o indirecta) o por desastres naturales, de tal modo que quede menos apta para uno o todos los usos a que va destinada, para los que sería apta en su calidad natural (CEE de las Naciones Unidas, 1961). En esta definición es de notar que se parte de composición natural del agua y no de agua pura y se mide la contaminación en función del uso. El uso del agua define el criterio de calidad, los métodos de tratamiento a utilizar, el tipo de agua residual y el método de depuración a emplear. Los usos del agua son:
Urbano o Doméstico
Agua de consumo Agropecuario Industrial
Generación de Energía Eléctrica
Acuicultura Otros usos
Recreativo y Estético Navegación
La contaminación del agua puede ser de naturaleza física, química o biológica y el grado de contaminación de las aguas se establece a través de los parámetros indicadores de contaminación, que son los que habitualmente se cuantifican, pues en la mayoría de los casos agrupan a varios tipos de contaminantes individuales.
I.2.1 Fuentes contaminantes del agua
La clasificación de los contaminantes que pueden encontrarse en un agua es muy diversa y todas generan el mismo problema: una cantidad de contaminantes extremadamente alta. Una clasificación, y que atiende a la naturaleza física, química o biológica de los agentes, es la siguiente:
a) Agentes físicos: calor.
c) Compuestos químicos orgánicos: carbohidratos, aminoácidos, proteínas, aceites y grasas, hidrocarburos, jabones y detergentes, pesticidas, policlorobifenilos (PCBs) y otros xenobióticos
d) Nutrientes: compuestos nitrogenados y fosforados
e) Microorganismos: bacterias, virus, protozoos, hongos y algas
En la tabla 2 se presentan algunas enfermedades de origen hídrico y su agente etiológico. En todos los casos la principal medida de control es la descontaminación de las fuentes de abastecimiento de agua. Contra la fiebre tifoidea y la hepatitis A, también existe la vacunación como medida de control. El cólera y la fiebre tifoidea son enfermedades que han llegado a convertirse en grandes epidemias.
Tabla 2. Enfermedades de transmisión hídrica
Enfermedad Agente etiológico
Cólera Vibrio cholerae (B)
Giardiasis Giardia lambia (P)
Fiebre tifoidea Salmonella typhii (B)
Hepatitis A Hepatovirus (V)
Gastroenteritis Escherichia coli (B)
Diarrea epidémica Campilobacter spp (B)
Criptosporidiosis Cryptosporidium parvum (P)
Shigelosis Shigella dysenteriae (B)
B: bacteria, V: virus, P: protozoo
I.2.2 Parámetros generales indicadores de contaminación de las aguas
Los parámetros indicadores de contaminación o calidad de las aguas se clasifican atendiendo a la naturaleza de la propiedad o especie que se determina, en base a ello se dividen en:
• Parámetros de carácter físico: características organolépticas, turbidez, sólidos, temperatura, conductividad
• Parámetros de carácter químico: salinidad, pH, oxígeno disuelto, indicadores de materia orgánica (Demanda Bioquímica de Oxígeno, Demanda Química de Oxígeno ), indicadores de materia inorgánica (cationes, aniones, metales)
• Parámetros de carácter microbiológico: bacterias, virus, hongos, algas.
Por ejemplo, la composición de la fauna de invertebrados acuáticos indica distintos niveles de calidad de las aguas, las plantas nitrófilas indican exceso de abonos nitrogenados, mientras que los líquenes se utilizan como bioindicadores de contaminación atmosférica. Sin embargo, debido a los numerosos factores que influyen en el metabolismo de los seres vivos, los bioindicadores sirven fundamentalmente para mantener una supervisión previa de carácter general.
El agua es un vehículo ideal para la transmisión de enfermedades infecciosas de
origen bacteriano (cólera, tifus, tuberculosis), víricas (hepatitis, conjuntivitis,
poliomelitis) y parasitarias protozoarias (gastroenteritis, amebiasis) o helmínticas
(distomatosis). La depuración de las aguas es el eslabón crucial para evitar las
enfermedades de transmisión hídrica.
Se conoce que Alejandro Magno para proteger su salud, llevaba su agua de bebida
personal en urnas de plata. La asociación entre metales nobles y la prevención de
enfermedades hídricas se estableció muy pronto por medio de observación fortuita.
El aumento de los usos del agua, especialmente como receptor de los desechos y
basuras generados por el hombre, los efectos de la materia orgánica y patógenos
en las aguas son una preocupación constante para la salud humana.
El mayor brote de enfermedad hídrica, conocida hasta la fecha, tuvo lugar en 1993
en Milwakee (Wisconsin). Las lluvias primaverales y las aguas que descendían de
las granjas circundantes hicieron rebosar el sistema de abastecimiento de agua,
conduciendo a una contaminación con
Cryptosporidium parvum
, protozoo
patógeno intestinal del ganado vacuno de leche, resistente a la cloración por lo que
su eliminación es por sedimentación y filtración. El brote de criptosporidiosis
produjo 40 000 casos con más de 100 fallecimientos.
I.3. Eutrofización
Los ríos y lagos están sujetos a muchas fuentes de contaminación que pueden hacer que el agua no pueda ser empleada para beber, nadar o pescar. Uno de los problemas más comunes es la acumulación de nutrientes ocasionada por el flujo creciente de fosfato y nitrato provenientes de plantas de tratamiento de aguas negras, fertilizantes, detergentes y desperdicios animales, así como la erosión del suelo.
Se denomina eutrofización al enriquecimiento desmesurado de las aguas con compuestos que contienen nitrógeno y fósforo, ya sea en forma inorgánica (nitratos y fosfatos fundamentalmente) u orgánica (aminoácidos, proteínas y compuestos organofosforados); especies necesarias para el crecimiento y desarrollo vegetal. Considerando que eutrófico significa bien nutrido, la eutrofización es un fenómeno natural y necesario y no debiera considerarse un fenómeno de contaminación de
Las peculiaridades hidrológicas de Cuba se asocian a su configuración, extensión
de rocas calizas y al régimen de precipitaciones. De esta forma se establece en el
territorio un parteaguas central con dos vertientes: norte y sur, donde escurren los
ríos de cortos cursos (< 40km) que conforman cientos de cuencas superficiales de
áreas <200 km
2. Las mayores son Cauto (Santiago de Cuba, Holguín, Granma, Las
Tunas), Toa (Guantánamo) y Zaza (Sancti Spirítus, Villa Clara).
En el seno de las rocas carcificadas se encuentra el 90% de los recursos de agua
subterráneas. El carso es muy vulnerable a la contaminación y por tanto se
convierte en un ecosistema frágil y de mayor necesidad de protección. Los acuíferos
subterráneos más importantes se localizan en la parte occidental del país, muchos
de ellos abiertos al mar, lo que provoca la pérdida de grandes volúmenes de agua.
Entre las cuencas subterráneas más importantes destacan: Vento y Ariguanabo
(Habana y Ciudad de la Habana).
Los recursos hídricos de Cuba se estiman en unos 38 100 m
3de aguas anuales, de
los cuales solo pueden aprovecharse 23 900 m
3.El uso de los recursos hídricos se
destina a: 52% riego, 30% población e industria, 18% otros insumos. En el caso del
riego el mayor porcentaje se consume en las plantaciones de arroz, caña y
hortalizas y viandas. En menor medida se consume en frutales y cítricos.
actividad humana ha liberado cantidades excesivas de estos nutrientes a los ecosistemas acuáticos, trayendo como resultado un incremento desmesurado de la población vegetal y con ello la aceleración del proceso natural de eutrofización. La descomposición vegetal excesiva induce una reducción del oxígeno disuelto y con ello la alteración del ecosistema acuático, incluyendo la desaparición de especies piscícolas y la aparición de olores y sabores desagradables como consecuencia de las condiciones anaerobias que se establecen. En lagos y embalses el fósforo es el principal responsable de la eutrofización; mientras que en aguas marinas, abiertas y dulces es el nitrógeno.
La contaminación que se produce en las aguas interiores y marinas en el país es el
resultado del vertido de residuales sin tratamiento o con tratamiento deficiente ya
sea por inexistencia de redes de alcantarillado o por un ineficiente funcionamiento
de plantas de tratamiento y lagunas de estabilización, así como la poca
reutilización y aprovechamiento de residuales líquidos de la actividad
agroalimentaria e industrial.
La bahía de Santiago de Cuba es uno de los ecosistemas más dañados de la
provincia, siendo los usos industriales, transporte y asentamientos humanos los
que mayor incidencia negativa tienen sobre este recurso costero La bahía recibe la
descarga de contaminantes industriales, humanos y otras fuentes a través de los
ríos Gascón, Guaos, Yarayó, Yarto y Parada. Este último se fusiona con el río Cobre
Datos del Grupo de Vigilancia de la bahía refieren 30 puntos de contaminación
prioritarios a atender, en los cuales se insertan aproximadamente 68 industrias,
entre las que destacan:
Refinería Hnos Díaz
Termoeléctrica Antonio Maceo
Fábrica de Cemento José Mercerón
Cervecería Hatuey
I. 4. Contaminación atmosférica. Fuentes de contaminación
La atmósfera es la envoltura gaseosa que rodea a la Tierra. Tiene un espesor de 2000 km aproximadamente y está dividida en cinco regiones: troposfera, estratosfera, mesosfera, termosfera o ionosfera y exosfera. Cada una con densidad, temperatura, actividad química y radiación solar incidente diferentes.
La atmósfera terrestre (Figura 2) está compuesta por gases (aire) y aerosoles. Su composición química depende de los procesos biogeoquímicos en los que se encuentran involucrados los diferentes elementos. En relación con la contaminación atmosférica, son particularmente importantes los ciclos del Carbono (Figura 3), Nitrógeno (Figura 4) y Azufre (Figura 5).
ATMOSFERA
AIRE
AEROSOLES
Gases Permanentes (O2, N2, Xe, Ar, Kr, He, Ne)
Gases variables (CO2, H2, N2O, O3, CH4)
Gases muy variables (H2O, CO, NO2, H2S, NH3, SO2)
Composición muy variable
M.O.
(0,-2)
CO
2(+4)
CO
2(+4)
H
2CH
4(-4)
CO
(+2)
AEROBIO
ANAEROBIO
FIJACION DEL CARBONO
METANOGENESIS
METANOGENESIS
RESPIRACION ANAEROBIA Y FERMENTACION
FIJACION DEL CARBONO
RESPIRACION
OXIDACION DEL METANO
NO
3-5+
NO
2-3+
NH
4+3-
R-NH
23-
N
20
N
2O
1+
Desnitrificación
Pseudomonas nitrificans
Nitrificación
Nitrobacter, Nitrococcus
Nitrificación
Nitrosomonas, Nitrosococcus
Reducción asimilatoria de NO3- (muchos géneros)
Desasimilación y Mineralización (muchos géneros)
Fijación del N2
Azotobacter Clostridium
Bacterias fotosintéticas Anammox
Desulfovibrio, Clostridium
SO
42-(6+)
SO
32-(4+)
S
(0)
H
2S
(2-)
R-SH
(2-)
OXIDACION
OXIDACION REDUCCION
Reducción desasimilatoria del SO3
2-Desulfotomaculum, Desulfovibrio, Clostridium, Alteromonas
Reducción asimilatoria del SO4
2-Reducción desasimilatoria del SO4
2-Desulfovibrio
MINERALIZACION
OXIDACION
La contaminación atmosférica es la impurificación de la atmósfera por la inyección y permanencia temporal en ella de materia gaseosa, líquida, sólida o radiaciones ajenas a la composición natural del aire (Figura 2) o en proporción superior a esta. En la Tabla 3 se resumen las principales fuentes de contaminación atmosférica.
Tabla 3. Fuentes de contaminación atmosférica
Naturales
Erupciones volcánicas, meteoritos, fuegos Compuestos orgánicos: metano
Compuestos inorgánicos: SO2, H2S
Partículas: rocas, metales, bacterias Antropogénicas
Generación de electricidad
Combustión (industrial, comercial, institucional, residencial)
Procesos industriales sin combustión (producción de aceites comestibles, procesos de producción de cárnicos y otros)
Transporte
Uso de disolventes Eliminación de residuos
Extracción y distribución de combustibles fósiles
Cuando se habla de concentración de contaminantes atmosféricos (v/v o m/v) es necesario distinguir entre los valores de emisión (concentración de contaminantes que vierte un foco y que se mide a la salida del foco emisor) y los valores de inmisión (concentración de contaminantes en el seno de una atmósfera determinada y por tanto son los valores a los que están expuestos los seres vivos y materiales cuya actividad se desarrolla en esa atmósfera). Los valores de inmisión dependen de los valores de emisión, fenómenos de mezcla, transporte, deposición y transformaciones químicas que experimentan los contaminantes.
I.4.1. Tipos de contaminación atmosférica La contaminación atmosférica puede ser:
Muchas enfermedades transmitidas por el aire afectan directamente el aparato respiratorio. Entre las enfermedades se destacan:
Por bacterias
Difteria Corynebacterium diphtheriae Legionelosis Legionella pneumophila
Meningitis bacteriana Streptococcus pneumoniae, Neisseria meningitides, Haemophilus
influenzae, Estreptococos grupo B, Listeria monocytogenes,
Mycobacterium tuberculosis, Nocardia asteroides, Staphylococcus aureus y Staphylococcus epidermidis.
Neumonía Mycobacterium avium y Mycobacterium intracellulare
Tos ferina (pertusis) Bordetella pertussis
Tuberculosis Mycobacterium tuberculosis
Por viruses
Varicela Herpesviridae
Influenza Ortomixovirus
Sarampión Morbillivirus
Parotiditis (paperas) Rubolavirus
Rubéola Togaviridae
Viruela Poxviridae
Física: Se plantea que en realidad es contaminación energética ya que es producida por ondas electromagnéticas y/o mecánicas o por emisiones radiactivas. Pueden citarse:
a) contaminación acústica, provocada por ruidos y vibraciones.
b) contaminación por radiación electromagnética, producida por la exposición de seres vivos a campos electromagnéticos adicionales.
c) contaminación radiactiva, provocada por la radiactividad de radionucleidos en la atmósfera ya sea por accidentes o uso indebido de material radiactivo.
Química: Debida a la presencia de compuestos químicos; los cuales se clasifican en contaminantes primarios (se emiten directamente a la atmósfera) y secundarios (se forman por interacciones entre los contaminantes primarios, componentes atmosféricos, y radiaciones incidentes en la atmósfera). Entre los contaminantes primarios, que son los mayoritarios y constituyen el 90% o más del problema, se encuentran CO, CO2, NO, NO2, N2O, NH3, halógenos, H2S, SO2, Compuestos
conoce como efecto invernadero. El SO2, dada su alta solubilidad en agua se transforma en H2SO4,
principal componente de la lluvia ácida (precipitación en forma de lluvia, nieve, niebla o rocío con pH inferior a 4), causante de serios daños a ecosistemas y materiales metálicos y pétreos. Los contaminantes secundarios más importantes son el O3, SO42-, NO3- y oxidantes fotoquímicos.
El 26 de Octubre de 1954 la ciudad de Los Angeles, California, sufrió uno de los
episodios de smog más importantes. La atmósfera se hizo irrespirable debido a las
emisiones atmosféricas de industrias y el tráfico (2/3 de la emisión) unidas a las
condiciones atmoféricas imperantes: inversión térmica, que impedía difusión
vertical de contaminantes y viento soplando desde el mar, impidiendo su
dispersión horizontal al no poder atravesar las montañas situadas a la espalda de
la ciudad. Miles de personas fallecieron a causa de enfermedades respiratorias y
ese día pasó a la historia como “miércoles negro”.
Fuente: Orozco, 2004
El efecto de la lluvia ácida no se produce directamente sobre los seres vivos sino a
través de su medio físico. Las lluvias ácidas aumentan la acidez del suelo y de las
aguas interiores (ríos, embalses y lagos) hasta hacerlos inhabitables para las
especies del medio. En la vegetación produce graves daños en zonas forestales y
elimina los microorganismos fijadores de nitrógeno.
Los lagos del medio oeste de Estados Unidos no tienen problemas de acidez debido
a que las rocas superficiales en esta zona son de caliza (CaCO
3), originándose
hidrogenocarbonato que neutraliza los ácidos y mantiene constante el pH. Por el
contrario en la zona este del país predomina el granito, que es menos reactivo y por
tanto el agua de los lagos es más susceptible de ser ácida.
Fuente: Skoog, 2005
.
El efecto invernadero se produce por determinados gases presentes en la atmósfera
capaces de absorber radiaciones y transformarlas en calor. Es un fenómeno
natural y necesario que ha permitido la existencia de la vida en la Tierra. El
problema surge cuando las concentraciones de estos gases se incrementan como
consecuencia de la actividad humana, fundamentalmente CO
2.
Los gases naturales del efecto invernadero son: Vapor de agua, CO
2,CH
4, NO
x, O
3y
los artificiales: los clorofluorcarbonos (CFC)
I.5. Contaminación del suelo. Fuentes contaminantes
El suelo es la parte superficial de la litosfera y está constituido por una mezcla variable de partículas minerales, materia orgánica, aire y agua. Se forma a través de un conjunto de procesos físicos, químicos y biológicos sobre el medio rocoso original (meteorización), siendo el soporte material para el desarrollo de los organismos vivos. La cantidad de los constituyentes del suelo varía con la localidad.
Debido a la infiltración de agua edáfica, que produce una cierta meteorización química, así como a la actividad orgánica en el suelo, se desarrolla una estructura secuencial en capas u horizontes edafológicos según la profundidad. Los horizontes (mantillo u horizonte A, capa intermedia u horizonte B y roca madre u horizonte C) tienen diferentes propiedades físicas y químicas, así como color y textura dependiendo del proceso de formación del suelo. El conjunto de horizontes, denominado perfil, da idea de la estructura global del suelo.
De todos los componentes del medio, el suelo es el que ha sufrido mayor deterioro en menor tiempo si se compara con los factores agua y atmósfera, los cuales han tenido mayor atención tanto desde el punto de vista legislativo como técnico. Se define contaminación del suelo como la porción del terreno, superficial o subterránea, cuya calidad ha sido alterada como consecuencia del vertido directo o indirecto, de residuos o productos peligrosos. La contaminación de los suelos puede ser ocasionada por la actividad industrial, agrícola o de servicios; sin embargo la actividad industrial es la principal fuente de contaminación (tabla 4).
Tabla 4. Principales contaminantes en el suelo
Contaminantes Industria Hidrocarburos y derivados del petróleo Estaciones de servicio
Alquitrán, benceno, fenoles, HAPs,
cianuros Fabricación de gas
Hidrocarburos y metales pesados Textil Compuestos químicos diversos Química
Disolventes clorados Maquinarias
Hidrocarburos aromáticos, cianuros,
metales pesados Metalurgia
I.5.1. Tipos de contaminación de los suelos La contaminación del suelo puede ser:
Endógena: cuando se producen desequilibrios en los constituyentes del suelo, provocando variaciones de algunas especies a concentraciones nocivas para los seres vivos. Cuando existe contaminación endógena ocurre:
a. movilización de metales debido a procesos de acidificación b. salinización del suelo por aumento del % de Na+
c. disminución del Mn2+ por oxidación ante especies metálicas reductoras
Exógena: cuando es provocada por diferentes tipos de vertidos o productos agrícolas (pesticidas, fertilizantes) en exceso con componentes ajenos a la composición inicial del suelo.
En la Figura 6 se presentan los principales contaminantes del suelo La presencia de contaminantes en el suelo produce:
contaminación de las aguas subterráneas a través de lixiviados (agua de lavado que se infiltra en el suelo)
contaminación de las aguas superficiales a través de escorrentías (agua que se desplaza sobre la superficie debido a la fuerza de gravedad)
contaminación del aire por combustión, evaporación, sublimación o arrastre por viento
envenenamiento por contacto directo o a través de la cadena alimentaria
I.6. Métodos analíticos en el control de contaminantes
La detección de contaminantes en agua, suelo o aire e incluso en elementos bióticos (animales y plantas) se realiza a través del análisis ambiental, el cual tiene como objetivos: 1 control de fondo y 2 control de la contaminación. El control de fondo estudia los procesos medioambientales y establece los valores límites permisibles (patrones) para evaluar cualquier efecto de la contaminación.
A través del control de fondo se establecen las llamadas “líneas base” (estado normal del ecosistema sin perturbación ambiental), las normativas y legislaciones para el vertido de residuos al medio ambiente. La línea base depende del ecosistema en cuestión y puede variar con el
COMPUESTOS ORGANICOS HIDROCARBUROS, HPAs
METALES
Mn, Ni, Zn, V, Cu, Mo, Cr, Cd, Pb, Hg SUELO
Actividad minera Vertidos industriales Tráfico
PESTICIDAS
DDT, BORAX, ALDRIN, PARATION BIOACUMULACION
SALES EUTROFIZACION
LLUVIA ACIDA
ACIDIFICACION
Actividad petrolífera
FERTILIZANTES NO3-, PO4
3-SALINIZACION
de cada país o región. En Cuba las regulaciones de vertido a los diferentes cuerpos receptores quedan establecidas en las Normas Cubanas de la Oficina Nacional de Normalización.
El control de la contaminación permite identificar potenciales amenazas para la salud humana y ecosistemas naturales, evaluar la eficiencia de las medidas de control de la contaminación, determinar cumplimiento con patrones nacionales e internacionales y otros.
El análisis ambiental frecuentemente es utilizado en los Estudios de Impacto Ambiental (EsIA) y en él participa tanto el químico analista ambiental como el ingeniero ambiental. El químico analista ambiental establece los niveles permisibles de los diferentes contaminantes en un ecosistema dado y las medidas tecnológicas para disminuir la emisión de contaminantes al medio. El ingeniero ambiental por su parte, selecciona y diseña la tecnología más apropiada para el control de la contaminación. Es importante destacar que en los estudios de contaminación ambiental y la búsqueda de soluciones a tales problemas participan grupos multidisciplinarios de especialistas (químicos, biólogos, ingenieros, sociólogos, juristas, economistas entre otros).
I.6.1. Muestras ambientales
Las muestras ambientales son muy complejas tanto por su composición como por la concentración de muchos contaminantes en niveles trazas. La presencia de trazas de contaminantes requiere de técnicas de alta sensibilidad para la detección. Por otra parte la misma complejidad de las matrices ambientales exige en ocasiones laboriosas técnicas de preparación de las muestras. Las muestras han de ser representativas del lugar de origen y el tipo de muestreo depende del tipo de matriz (líquida, sólida o gaseosa). En la Tabla 5 se recogen los diferentes tipos de muestreos para las tres matrices.
NC 25:1999 Evaluación de los objetos hídricos de usos pesquero. Especificaciones. NC 372:2004. Vertimiento de aguas residuales a la zona costera y aguas marinas. Especificaciones.
NC 2\135:2002 RSU. Disposición final. Requisitos higiénico sanitarios y ambientales.
NC 39:1999. Calidad del aire. Requisitos higiénico sanitarios.
NC 27:1999 Vertimiento de aguas residuales a las aguas terrestres y al alcantarillado. Especificaciones.
Tabla 5. Tipo de muestreo a aplicar en dependencia de la matriz
Matriz Tipo de muestreo
Simple: la muestra se toma en un lugar y tiempo determinado
Compuesto (compósito): la muestra simple se toma en un mismo punto y a diferentes tiempos. Se procede entonces al mezclado y homogenización de las muestras simples.
Líquida
Integrado: la muestra simple se toma en diferentes puntos a mismo tiempo. Se procede a la mezcla de las muestras simples.
Continuo: la muestra se toma de forma continua en un año, ya sea en tiempo real o períodos predefinidos.
Periódico: las muestras se toman según un plan predeterminado, ya sea de forma estacional o frecuente
Gaseosa
Puntual: las muestras se toman en determinados días y horas
Aleatorio: las muestras se toman previa fijación de ejes coordenados al azar en el área a estudiar.
Estratificado al azar: las muestras se toman al dividir en cuadrados la superficie a estudiar y en cada cuadrado se realiza un muestreo al azar.
Sólida
I.6.2. Métodos de análisis
La mayoría de los métodos analíticos para la detección de contaminantes ambientales son métodos normalizados desarrollados por organizaciones especializdas, entre las que destacan: USEPA (United Stated Environmental Policy Agency) con los métodos EPA (Environmental Policy Agency), AWWA (American Water Works Association) con los métodos Standard (Standard Methods) y Comités Técnicos: internacionales (Normas ISO), europeos (Normas Europeas), cubanos (Normas Cubanas).
El análisis de contaminantes en suelo se basa en la extracción del compuesto del suelo. Los métodos de extracción dependen de la naturaleza del contaminante.
• Para contaminantes orgánicos: extracción con Soxhlet, ultrasonido (US), microondas
• Para contaminantes inorgánicos: digestión en sistemas abiertos en medio fuertemente ácido, digestión por microondas y disgregación alcalina con Na2O2, LiBO2 a altas
temperaturas (600-1000ºC).
Existen otros tipos de métodos instrumentales que, aunque su aplicación en el análisis medioambiental no es común, se utilizan en casos muy específicos:
Electroforesis capilar en la determinación de micro contaminantes orgánicos e inorgánicos cargados eléctricamente
Electroforesis capilar micelar en el análisis de contaminantes orgánicos no cargados
Inmunoanálisis (ELISA) en la detección y cuantificación de pesticidas e hidrocarburos policíclicos aromáticos
En la Tabla 6 se resumen las técnicas más comunes en el análisis de contaminantes acuosos, atmosféricos y del suelo. No se incluyen los métodos de purificación (clean up).
Otro aspecto a considerar en el análisis ambiental es la determinación de la toxicidad de un contaminante; la cual se evalúa a través de la dosis letal al 50% (DL50). La DL50 se define como la
cantidad de contaminante que produce la muerte en el 50% de los miembros de la población experimental. Se expresa en mg de compuesto /kg de animal. En base a este parámetro los contaminantes pueden ser:
• extremadamente tóxicos: (DL50 < 10 ppm) • altamente tóxicos: (10 < DL50 < 100 ppm)
• moderadamente tóxicos: (100 < DL50 < 1 000 ppm) • poco tóxicos: (1000 < DL50 < 10 000 ppm)
Tabla 6. Métodos más comunes en el análisis de contaminantes
Contaminantes acuosos
Ácido/base (CO32-, HCO3-)
Precipitación (Cl-)
Potenciométrica (Cl-)
Volumetrías
Complexometría (Ca2+, Mg2+)
Gravimetría SO42-, aceites y grasas
Turbidimetría SO4
2-Espectrofotometría de Absorción Molecular
(colorimetría) PO4
3-, NO
3-, NO2-, X-, Cd, Pb, DQO
Electrodos selectivos X-,CN
-HPLC Iones inorgánicos, HPAs, fenoles, herbicidas,
tensoactivos no iónicos Espectroscopía de Absorción /Emisión Atómica
AES/AAS, AES/ICP
Na, Li, K, Cs (emisión)
Resto de los elementos (absorción)
Espectroscopia IR Aceites y grasas, carbono orgánico total (COT)
Cromatografía gaseosa GC/FID, GC/MS
COV, hidrocarburos, HPAs, PBCs, pesticidas, fenoles, nitroaromáticos, dioxinas
Contaminantes atmosféricos
Gravimetría Partículas
Potenciometría Gases y partículas
Espectrofotometría UV/visible Gases y partículas Espectroscopia de Absorción Atómica Partículas
Cromatografía gases/masas Gases y partículas
Contaminantes del suelo Los mismos ya citados para contaminantes acuosos.
CAPITULO III. TRATAMIENTO BIOLOGICO DE AGUAS RESIDUALES
El tratamiento biológico de las aguas residuales puede realizarse en condiciones aerobias y anaerobias. El tratamiento aerobio tiene lugar en presencia de oxígeno disuelto, manteniéndose las aguas residuales saturadas de oxígeno durante todo el proceso. El tratamiento de depuración anaerobio se fundamenta en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno molecular, por microorganismos específicos.
La depuración aerobia de aguas residuales urbanas, agropecuarias e industriales se realiza utilizando sistemas naturales (Figura 17) o convencionales (Figura 18).
III. 1. Lodos o fangos activados
Es el sistema de depuración de aguas residuales comúnmente utilizado en las EDAR (Figura 19). El método se remonta a 1914 en Inglaterra y se fundamenta en mantener la biomasa microbiana o fangos activados en suspensión en el seno del agua, la cual se oxigena continuamente para asegurar la biodegradación. Se alcanzan valores de remoción de materia de orgánica entre 85-90%. La principal desventaja de este sistema es el costo energético de la oxigenación.
El agua residual a tratar se pone en contacto con los fangos activados en un tanque o cisterna de aireación (reactor biológico) durante 8h aproximadamente (Figura 20). El efluente pasa luego hacia un tanque de sedimentación secundaria (Figura 19), donde se recoge el lodo activo. Parte de este lodo se recircula nuevamente hacia el reactor biológico (Figura 19) para garantizar la actividad microbiana y el exceso, llamado fangos secundarios, se une a los fangos primarios (procedentes del tanque de sedimentación primaria) para su tratamiento y gestión.
La aireación del reactor biológico se realiza en la superficie, mediante turbinas, o en el fondo del reactor mediante difusores de aire. Bioquímica y tecnológicamente, el tanque de fangos activados es un reactor continuo de barrera completa con retroalimentación parcial (feedback). Microbiológicamente, los fangos activados son un cultivo mixto de microorganismos (Tabla 9); en el que predominan las bacterias (50-80%), es un sistema abierto, ya que hay entrada y salida de estos; y de gran variabilidad (no se mantiene constante el mismo grupo microbiano).
Durante el proceso de depuración de las aguas residuales por el sistema de lodos activados deben controlarse la temperatura, concentración de oxígeno, el pH (6,5-7,5) concentración de nutrientes, materia orgánica de entrada y salida del reactor (indica eficiencia del proceso), edad de los fangos (2-12 días) y el índice volumétrico de fangos (IVF). El IVF expresa la capacidad de decantación de los mismos y representa el volumen que ocupa 1g de fangos.
Para alcanzar una buena floculación y por tanto un buen funcionamiento del reactor biológico el IVF debe ser muy bajo , es decir poco volumen con alta concentración de sólidos. El IVF óptimo es < 70 mL/g.
Figura 17. Sistemas naturales de tratamiento aerobio para la depuración biológica de aguas residuales
Figura 18. Sistemas convencionales de tratamiento aerobio para la depuración biológica de aguas residuales
Sistemas
convencionales Biomasa en suspensión Fangos (lodos) activados
Biomasa adherida Lechos bacterianos (biofiltros)
Contactadores biológicos rotativos Biomasa en
suspensión
Sistemas naturales
Lagunaje
Biomasa
adherida Filtros verdes
Filtros de arena Lechos de
turba
Sistemas mixtos Sistemas de
humedales
8 Agua
residual 1 2
3
4 5 6 7
Efluente
11 10
9
12 13
Evacuación
Recirculación de lodos
Lodos primarios
Lodos secundarios
Aguas de concentración y deshidratación
Lodos concentrados Biogás
Línea de agua
Línea de fangos
Biogás
Figura 19. Esquematización de una estación depuradora de aguas residuales (EDAR) con sistema de lodos activados. 1. Desbaste, 2. Desarenado/desengrasado, 3. Tratamiento físico-químico (opcional), 4. Decantación primaria, 5. Reactor biológico, 6. Decantación secundaria, 7. Tratamiento terciario, 8. Cuerpo receptor, 9. Espesador de fangos, 10. Flotador de fangos, 11. Reactor anaerobio, 12. Secador de fangos, 13. Silo de lodos
Purga de fangos Biomasa
Lodos Decantador
secundario Turbinas
Agua residual
Durante el funcionamiento del reactor de lodos pueden presentarse algunos incovenientes como son:
1. Fango voluminoso (bulking), por la proliferación de algas que disminuyen el oxígeno disuelto y conducen a la formación de flóculos de baja densidad y decantabilidad. Se corresponde con altos valores de IVF.
2. Fango ascendente: el fango sedimentado flota, por la desnitrificación del NO2- y NO3- en el
reactor y formación de N2, que arrastra el fango hacia la superficie.
3. Formación de espuma y olores desagradables: se debe a la proliferación de actinomicetos de la familia Nocardia, por un exceso de aireación y detergentes en las aguas residuales. 4. Flóculos “punta de alfiler”: son flóculos que sedimentan con dificultad debido a influentes
de baja carga orgánica y lodo envejecido (mayor de 6 días).
5. Defloculación: fragmentación de los flóculos del fango en el sedimentador secundario (Figura 20), originándose un agua turbia debido a bajas concentraciones de oxígeno disuelto, valores de pH, y presencia de inhibidores.
III. 1.1. Tratamiento del exceso de fangos
El sistema de lodos activados genera un exceso de fangos secundarios (biomasa microbiana activa), que junto con los fangos primarios procedentes del sedimentador (Figura 19) deben ser tratados ya que contienen mucha agua, no son inertes, generan olores desagradables y pueden portar bacterias fecales y cistos viables de protozoos de vida libre como la Acanthamoeba que produce encefalitis amébica granulomatosa, queratitis y úlcera de córnea.
Los fangos pueden tratarse con cal, incinerarse, añadirse a pilas de compostaje o por digestión anaerobia. Esta última vía de tratamiento es la más efectiva y utilizada, puesto que en las estaciones depuradoras se diseña la “línea de fangos” (Figura 19) para su tratamiento integral. Las etapas del proceso (Figura 19) son: espesamiento o concentración (9 y 10), estabilización (11), deshidratación o secado (12) y evacuación (13).
Tabla 10. Características de los lodos primarios y secundarios digeridos
Características Lodos primarios Lodos
secundarios Lodos digeridos
Humedad (%) 92-96 97,5-98 94-97
pH 5,5-6,5 6,5-7,5 6,8-7,6
SSV (%) 70-80 80-90 55-65
Carbohidratos (%) 8-10 6-8 5-8
Proteínas (%) 4-14 20-30 10-20
Nitrógeno (%) 2-5 1-6 3-7
Fósforo (%) 0,5-1,5 1,5-2,5 0,5-1,5
Bacterias patógenas
(NMP/100 mL) 10
3-105 102-103 101-102
Parásitos
(NMP/100 mL) 8-12 1-3 1-3
Metales pesados
Zn, Pb, Cu (%) 0,2-2 0,2-2 0,2-2
Fuente: Muñoz, A. Depuración de aguas residuales. (Paraninfo, 1992)
III.1.2. Eliminación de nitrógeno y fósforo en aguas residuales por el sistema de fangos activados
Durante la degradación y mineralización de la materia orgánica se produce también la nitrificación del nitrógeno orgánico, previa amonificación, por las bacterias nitrificantes Nitrosomonas
(oxidación de amoníaco a nitrito) y Nitrobacter (oxidación de nitrito a nitrato):
NH4+ + 3½ O2 → NO2- + 2H+ + H2O (∆G´0 = -277.2 kJ/mol)
NO2- + 1½ O2 → NO3- (∆G´0 = -71.4 kJ/mol)
La eliminación del nitrógeno total en aguas residuales se produce en bajos porcentajes; quedando este en forma de nitrato, especie química que favorece la eutrofización de las aguas. Por otra parte la mineralización del fósforo conduce a la formación de fosfato, nutriente que también favorece la eutrofización. Para eliminar tanto el fósforo como el nitrógeno de las aguas residuales se introducen modificaciones en el sistema de fangos activados (Figura 21).
NO3-) se produce la desnitrificación por bacterias reductoras y asimilación adicional del PO43-;
produciéndose fangos fosfatados y agua desnitrificada. En el reactor aerobio ocurre la nitrificación (NH4+ ± NO3-) y asimilación de fósforo (en forma de polifosfatos) por las bacterias de los géneros
Acinetobacter y Pseudomonas, originándose unos fangos fosfatados y agua defosfatada y nitrificada. En el sedimentador se mantienen las condiciones aerobias para evitar la desnitrificación y liberación del fósforo. Se producen fangos fosfatados y agua defosfatada y desnitrificada.
Figura 21. Sistema de eliminación de nitrógeno y fósforo dn aguas residuales en un sistema de lodos activados.
III.2. Lechos o filtros bacterianos
Este método se comenzó a utilizar en Inglaterra en 1893. Se fundamenta en la degradación de la materia orgánica cuando circula agua y aire a través de un medio filtrante o poroso. La biomasa permanece adherida sobre un soporte sólido fijo en forma de biopelícula o biofilm (Figura 22). El agua residual pasa a través del lecho en forma de lluvia. La película microbiana se forma por la capacidad de adherencia de muchas bacterias que tienen cápsulas y producen exopolisacáridos. La biopelícula es un cultivo mixto muy complejo, donde los microorganismos que lo forman crecen, maduran y mueren. La muerte de los microorganismos produce desprendimientos de
Agua residual
Afluente
Agua desfosfatada y desnitrificada (Efluente)
Tratamiento de fangos Recirculación de fangos
Reactor
anaerobio Reactor anóxico
degradación anaerobia. El efluente que sale del lecho bacteriano debe someterse a una decantación secundaria (figura 22), similar a lo que sucede en el sistema de lodos activados (figura 19).
Dependiendo de las condiciones ambientales, los biofilms o biopelículas pueden ser de dimensiones macroscópicas y directamente visibles. Estos biofilms gruesos (tapetes microbianos), se observan mucho en medios de agua dulce y marinos. Los biofilms también son importantes en el desarrollo de enfermedades ya que pueden proteger a los patógenos de los desinfectantes creando un foco para la diseminación posterior de la infección o para la liberación de microorganismos y productos microbianos que puedan afectar al sistema inmunitario de un huésped susceptible. Su establecimiento sobre superficies médicas es un desafío para los servicios hospitalarios modernos.
La ventaja de la depuración de aguas residuales mediante lechos bacterianos respecto al sistema de lodos es su menor costo energético en la oxigenación, ya que se realiza de forma natural; menor sensibilidad a los cambios bruscos de carga orgánica de las aguas residuales y un ordenamiento de las reacciones biológicas a lo largo del lecho. La desventaja está en el atascamiento de los filtros en aguas con alta carga orgánica, rellenos poco porosos y complejidad del proceso.
Diversidad de superficies que pueden ser colonizadas por biofilms
Inertes Piedras
en
un
arroyo
Unidad
de
filtración
por
goteo
Recipiente
para
alimentos
Catéteres
Lentes
de
contacto
Jeringuillas
usadas
Organismos vivos Piel
Encías y dientes
Tejido
del
tracto
urinario
Figura 22. Filtro bacteriano con sistema de recirculación de fangos. Se indica el sentido de circulación del agua y la esquematización de la película microbiana adherida al soporte. En la capa 1. Eubacterias (Pseudomonas, Zooglea, Flavobacterium, Alcaligenes), 2. Algas (Chlorella, Ulothrix, Euglena) 3. Hongos (Fusarium, Geotrichum).
Recirculación de fangos
Exceso de fangos
Decantación secundaria Soporte
Relleno Agua residual
Efluente Soporte
Biomasa 2 1
3
Agua residual H2S
O2 CO2
Materia orgánica
III.3. Contactadores Biológicos Rotativos (CBR)
Su principio de funcionamiento es el mismo que el de los lechos bacterianos, pero con la diferencia de que el soporte en el CBR está fijo a un eje que gira lentamente para conseguir la aireación (Figura 23). Se alcanzan porcentajes de remoción de la materia orgánica tan eficientes como en el sistema de lodos activados. Una ventaja adicional es la necesidad mínima de terreno, baja producción final de sólidos y reducido consumo de energía. La desventaja es que se aplica para pequeños volúmenes de aguas residuales y además la sensibilidad del eje giratorio al aumentar el peso de la biopelícula. El CBR sustituye al reactor biológico en el sistema de fangos activados (Figura 19), por tanto la depuración completa implica la realización de pretratamientos, tratamiento primario, decantación secundaria y tratamiento terciario. El CBR se sumerge en el agua residual un 40-90%.
La experiencia de Cuba en el uso de este sistema es en la EDAR Quibú de Ciudad Habana. Esta estación depuradora recibe un caudal medio de xxxx procedente de una población de xxxx habitantes. Las aguas arrastran una carga orgánica (DBO5) de xxx y está en explotación desde
xxxx. El pretratamiento se realiza por xxxx, el tratamiento primario xxxx, el tratamiento biológico por xxxxx y el tratamiento terciario por xxxx. El exceso de lodos se xxxx.
III.4. Lagunaje o Lagunas de estabilización
El tratamiento se basa en el almacenamiento del agua residual durante un tiempo variable, en unos estanques diseñados para que se produzca la degradación biológica de la materia orgánica por los propios microorganismos que se desarrollan en el agua. Se clasifican, según el grado de
O
2Eje giratorio
Agua a decantación secundaria Agua residual
Agua de tratamiento
primario
tienen lugar procesos aerobios y anaerobios. En la Tabla 11 se presentan las principales características de los diferentes tipos de lagunas.
Tabla 11. Principales características de las lagunas de estabilización Características
Tipo
Profundidad T. retención C. Orgánica % remoción DBO
Aerobias Baja, < 1m Hasta 10 días Baja 90-95 Facultativas Media, 1-2m 10-50 días Media-alta 80-95
Anaerobias Alta, 2-4m 20-50 días Alta 50-85
Agua Residual
Zona Anaerobia Bacterias anaerobias
Bacterias aerobias
Bacterias facultativas
Algas
Lodos Nutrientes
CO2 O2
Gases
CO2, N2, CH4, H2S… CO2, H2O, NO3-, PO43-…
M.O
Efluente Zona Facultativa Zona Aerobia
En función de la forma de alimentación y descarga del agua residual que entra en las lagunas, la clasificación es como:
• Lagunas continuas: entrada y salida continua tanto del agua residual como del efluente. Son muy utilizadas en la depuración de aguas residuales urbanas.
• Lagunas semicontinuas o de descarga controlada: el agua residual se almacena durante un tiempo prolongado hasta que se realiza el vaciado de la laguna. Se aplica en zonas con variaciones climatológicas importantes o cuando se va a utilizar el agua depurada en riegos regulados.
• Lagunas de retención total: Se diseñan para lagunas que no vierten a cauces públicos y por tanto el agua tratada se evapora o se infiltra en el terreno. Son lagunas de gran extensión y poca profundidad.
Cuando en la depuración de aguas residuales por lagunaje, se utiliza una combinación de lagunas para alcanzar una mayor eficiencia de depuración biológica de la materia orgánica, la secuencia de lagunas a utilizar es anaerobia - facultativa - aerobia ya que en las dos primeras se genera menor biomasa que en las aerobias. Como las lagunas anaerobias poseen tiempos de retención de hasta 50 días, se utilizan en la primera etapa del tratamiento de aguas residuales con alto contenido de materia orgánica biodegradable. El objetivo fundamental, más que obtener un efluente de calidad es la reducción de sólidos y materia orgánica.
En el tratamiento por lagunaje hay que señalar la necesidad de aplicar pre tratamientos e impermeabilización del fondo y las paredes de los estanques (excepto en las de retención total) para evitar la contaminación de suelos y acuíferos subterráneos por la infiltración de aguas.
Las ventajas del sistema de lagunaje están determinadas porque es un proceso natural que se integra fácilmente en zonas rurales, poseen bajo costo de construcción, explotación y evacuación de lodos ya estabilizados con varios años. Las desventajas son la necesidad de gran extensión de terreno y dependencia del rendimiento de depuración de la época del año y las condiciones meteorológicas, las cuales pueden modificar la solubilidad del oxígeno disuelto y generación de olores desagradables (H2S).
III.5. Filtros verdes
Se basan en el desarrollo y aprovechamiento de determinados cultivos y consisten en superficies de terreno cubiertas de cultivos agrícolas o forestales (pastos, alfalfa) sobre los que se disponen las aguas residuales. La depuración tiene lugar por la acción conjunta de las plantas (macrofitodepuración), el suelo (edafodepuración) y los microorganismos del medio ambiente mediante procesos físicos, químicos y biológicos. El agua residual llega al filtro por aspersión o distribución superficial (inundación).
La edafodepuración es el proceso de depuración natural realizado por el suelo (soporte inerte de bacterias) y ocurre en las capas superiores del suelo, que son las biológicamente activas, y que actúa además como un filtro físico de sólidos en suspensión. El aire edáfico es la fuente de oxígeno. La macrofitodepuración es el proceso de depuración natural que realizan las plantas superiores (macrófitas) al absorber materia orgánica, nutrientes y sales del agua residual. Ambos procesos actúan de forma independiente.
Si el cultivo es estacional el funcionamiento del filtro varía según la época del año y en otoño-invierno se interrumpe la macrofitodepuración.
Por otra parte la depuración biológica con filtros verdes requiere de sistemas de pre tratamiento y que el efluente no contenga sustancias nocivas para los cultivos. Los suelos muy arenosos y arcillosos no son recomendables.
III.6. Sistemas de humedales
Se refiere al cultivo de especies vegetales parcialmente cubiertas de aguas (juncos) y plantas acuáticas (jacintos, macío, papiro) (Figura 25). El fundamento es el mismo descrito para los filtros verdes: asimilación de componentes del agua residual por las plantas, degradación biológica de la materia orgánica por bacterias y plantas y filtración y sedimentación de los sólidos a través del suelo.
El uso de humedales artificiales puede aplicarse para el tratamiento del drenaje ácido de las minas ya que la zona radicular de las plantas puede mantenerse en un estado de anaerobiosis que permite la formación de sulfuro por Desulfovibrio sp. El sulfuro formado puede capturar los metales presentes en el agua y así se eliminan por bioprecipitación.
III.7. Lechos de turba
Es un sistema de filtración artificial que se basa en la circulación del agua residual a través de una capa de turba (material carbonado de la degradación biológica de materia vegetal en exceso de agua y ausencia de oxígeno) situada sobre una capa de arena que a su vez es soportada sobre una de grava (Figura 26). La turba filtra, retiene o adsorbe de modo similar al suelo. El proceso es completado por la oxidación biológica que realizan los microorganismos que se fijan a la turba, la cual se repone al cabo de varios años de funcionamiento. El sistema se diseña con al menos dos unidades en paralelo, ya que cada 10 días aproximadamente debe limpiarse la superficie. El agua residual debe someterse a un pre tratamiento antes de ser aplicada al lecho y en dependencia del uso del agua tratada se ha de realizar un tratamiento terciario.
III.8. Filtros de arena
Se emplean para la depuración de las aguas residuales urbanas de pequeñas poblaciones. Su funcionamiento se basa en la depuración biológica que llevan a cabo los microorganismos que se desarrollan en el lecho, mientras que las partículas en suspensión son retenidas en el filtro. Los filtros de arena (Figura 27) se construyen depositando una capa de arena de 60-90 cm de espesor sobre una de grava, en la que se sitúa un sistema de drenaje para recoger el agua depurada (Figura 27). Para evitar la saturación del lecho y mantener las condiciones aerobias; el agua, previamente tratada, se distribuye de forma intermitente. Al igual que en el sistema de lechos de turba, el agua depurada debe ser sometida a un tratamiento terciario para su reutilización.
Terreno natural o artificial Juncos
Jacintos de agua
Sedimentos
Grava Agua residual (pre tratada)
Agua depurada Arena
Turba
Figura 26. Esquema de un lecho de turba
Grava Agua residual (pre tratada)
Agua depurada Arena
III. 9. Tratamiento anaerobio.. Digestión anaerobia
El tratamiento de depuración anaerobia se fundamenta en la degradación de la materia orgánica en ausencia de oxígeno molecular, por microorganismos específicos. Se utiliza en el tratamiento de aguas residuales industriales (ARI) de alta carga orgánica (2 – 30 g/mL de DBO), tratamiento de fangos de depuradoras y residuos ganaderos fundamentalmente. Además, se emplea en secuencias de tratamiento (anaerobio - aerobio) para la depuración de aguas residuales urbanas (ARU) por lagunaje o eliminación de P y N2 en estas.
Durante la degradación anaerobia de la materia orgánica también tienen lugar reacciones catabólicas (degradación) y anabólicas (síntesis), sin embargo a diferencia del proceso aerobio el gasto energético es mucho menor debido a que las bacterias anaerobias utilizan solo el 10% de la energía contenida en la fuente de carbono para su metabolismo y por tanto la producción de biomasa es entre 5 y 10 veces más baja (Figura 28). El 90% restante es transformado en biogás. Las bacterias aerobias consumen entre un 60 y un 65% de la energía del sustrato para crecer y el resto lo utilizan en otras funciones metabólicas y es disipada en calor.
100% DQO
Anaerobia
Aerobia
CH4 + CO2 (90%)
H2O + CO2
Energía 35%
O2
*
* En caso de contar con digestión aerobia de lodos de purga.
Células 10%
Células 65%
La degradación anaerobia de la materia orgánica es comparable con el proceso que se desarrolla en el rumen o panza de los rumiantes. Es un proceso muy complejo que ocurre a través de varias etapas consecutivas y simultáneas (Figura 29), en las que intervienen cuatro grupos bioquímicos o fisiológicos de microorganismos (Tabla 9), con una alta interdependencia nutritiva. De hecho es un ecosistema con una cadena trófica (cada una de las relaciones alimentarias que se establecen de forma lineal entre organismos que pertenecen a distintos niveles tróficos) donde todos son microorganismos de degradación progresiva de la materia orgánica hasta su mineralización a metano y dióxido de carbono, y no predadores unos de otros.
En un digestor estabilizado existe de 108 – 1010 UFC/mL de los microorganismos no metanógenos
(hidrolíticos, fermentadores y acetogénicos) con una velocidad de crecimiento µ = 0,1 –0,5 h-1 y
entre 105 -108 UFC /mL de metanógenos con una velocidad de crecimiento µ = 0,01 –0,02 h-1. La
relación entre no metanógenos y metanógenos está determinada por la concentración de hidrógeno producida por los primeros y consumida por los segundos. Tal situación condiciona que se mantenga siempre un equilibrio entre estas poblaciones y no el crecimiento de ambas a la vez. Las bacterias hidrolíticas degradan las macromoléculas orgánicas (solubles e insolubles) a especies solubles de menor tamaño. Este grupo microbiano es decisivo, pues en el resto de las etapas intervienen bacterias que solo actúan sobre la materia orgánica disuelta. Las bacterias acidogénicas, que son facultativas, fermentan azúcares, aminoácidos, ácidos grasos y otros a ácidos grasos volátiles (AGV), alcoholes, aldehídos, hidrógeno, amoníaco y dióxido de carbono. Las bacterias acetogénicas producen ácido acético, dióxido de carbono, e hidrógeno a partir de los AGV y su desarrollo depende del consumo de hidrógeno por las bacterias hidrogenotróficas. Las bacterias metanogénicas, las cuales son anaerobias estrictas, de crecimiento lento y sensibles al pH, utilizan el ácido acético, fórmico y CO2 para producir metano. La mezcla de productos
gaseosos obtenidos (CH4, CO2, H2S, NH3) se denomina biogás y puede ser empleado como
combustible.
La digestión anaerobia es muy atractiva tanto desde el punto de vista del reciclaje como energético, ya que el gas producido es rico energética y caloríficamente. Se estima que por cada kg de DQO eliminado se producen 0,35 m3 de biogás cuyo poder calorífico es aproximadamente
6000 kcal/m3; lo que equivale a 1,5 kg de madera, 6,8 kW/h de electricidad o 0,8 L de gasolina
para un biogás de composición CH4 /CO2, 70 y 30 % respectivamente. El biogás producido es
Partículas de Material Orgánico
Proteínas Carbohidratos Lípidos
Aminoácidos, Azúcares Ac. Grasos, Alcoholes
Productos Intermediarios Propionato, Butirato, otros
Acetato Hidrógeno, Dióxido de Carbono
5
Hidrólisis 1A 1B 1C
2 3
Fermentación Oxidación anaerobia
4
6
Metanogénesis Reductiva (Hidrogenótrofos) Metanogénesis Acetoclástica
(Acetótrofos) Metano
